Однако к лету 1865 г. выяснилось, что здание богадельни вчерне еще не окончено. Работы приостановили в связи с тем, что городские средства ушли на строительство нового Гостиного двора взамен сгоревшего. В 1866 г. Николаевскую городскую богадельню поместили в Дворцовом госпитале с тем, чтобы двадцать человек призреваемых содержались на счет городского мещанского общества. В 1869 г. город получил Высочайшее разрешение «обратить неоконченное еще здание общественной богадельни с необходимыми в нем приспособлениями на частную мужскую реальную гимназию» и присвоить ей наименование Николаевской в память императора Николая Павловича и цесаревича Николая Александровича. Позднее горожане добились изменения статуса гимназии: из частной реальной ее превратили в казенную классическую.
Приспособление здания богадельни под учебные нужды осуществили под руководством архитектора А.Ф. Видова в короткий срок. 8 сентября 1870 г. в парадном зале Городовой ратуши в присутствии императора Александра II и августейших особ состоялся торжественный акт открытия гимназии.
Здания гимназии и ратуши композиционно объединены в архитектурный ансамбль приемами обработки фасадов. В облике ансамбля выделяется купол церкви на высоком барабане и выступающая в сторону перекрестка прямоугольная алтарная апсида, завершенная щипцом, граненый «алмазный» руст нижнего цокольного этажа, фигурные колонки с кубоватыми капителями под треугольными сандриками. В более богатой отделке гимназии привлекает внимание орнаментальный карниз, стилизованный Монигетти под резной подзор, арочные проемы, двойные венецианские окна в барабане купола. Парадный вход в здание гимназии находился с правой стороны по Набережной улице рядом с переходом в ратушу, которым соединялись вестибюли зданий. В композиции фасада ратуши Монигетти повторил «алмазный» руст, византийские колонки и треугольные сандрики. Надстроенный им третий антресольный этаж имел малые сдвоенные окна и завершался сложным карнизом с аттиком. В центре фасада вместо сдвоенного окна помещалась надпись «Царскосельская городовая ратуша», отмечавшая большой двусветный зал, который размещался по оси главного фасада.
В гимназии имелся один приготовительный и восемь основных классов. Средства на ее содержание отпускались Министерством народного просвещения. Значительную сумму составляли ежегодные дополнительные пособия: от города – 2000 руб., от купцов и мещан – 5000 руб., от домовладельцев – 3000 руб. Плата за обучение составляла 75 рублей.
Через два года после открытия гимназии, 29 октября 1872 г., состоялось освящение православной домовой церкви Рождества Богородицы митрополитом Исидором. Храм устроили по предложению педагогического совета на пожертвования граждан-учредителей гимназии, других лиц и учреждений. Представителями совета выступали директор гимназии действительный статский советник И.И. Пискарев и Царскосельского Екатерининского собора протоиерей А.А. Ветвеницкий – первый настоятель гимназического храма и законоучитель гимназии. Первым ктитором храма был купец И.Ф. Громов.
Церковный интерьер оформили по проекту архитектора А.Ф. Видова. Арки и стены церкви покрывали орнаментальные росписи с византийскими мотивами. Под куполом в парусах помещались изображения евангелистов и евангельские изречения. Вход в храм осуществлялся через дверь из гимназического коридора, выходящего через лестницу к главному подъезду.
Ризница помещалась в первом этаже и соединялась с алтарем винтовой лестницей. Церковь вначале была приписной к Екатерининскому собору, а с 1877 г. получила самостоятельный причт из священника и диакона. По исповедным книгам в 1877 г. у нее значилось до двухсот прихожан.
Впоследствии здания гимназии и ратуши расширялись и надстраивались, что усложнило, но не разрушило ансамбль И. Монигетти и А.Ф. Видова. В 1877 г. архитектор Н.С. Никитин пристроил к зданию гимназии симметричные флигели, один из которых предназначался для квартир директора, а другой – инспектора. Гражданский инженер А.А. Смирнов в 1889–1891 гг. надстроил гимназические корпуса третьим этажом для размещения пансиона, применив в его обработке композиционные приемы главного фасада. Им создан также большой корпус для гимнастического и актового залов со стороны двора.